計算機輔助裝配系統在制動夾鉗單元 生產工藝中的應用

陳欽成

（廣東國通克諾爾軌道車輛系統設備有限公司，江門 529100）

計算機輔助裝配（Computer-Aided Assembling，CAA） 系統的主要作用是在裝配過程中通過可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）對整個裝配工藝進行控制和管理。制動夾鉗單元的結構復雜，由上百個零部件組成，其裝配過程涉及上百道工序。如何在批量生產的情況下保障產品的裝配質量，是企業面臨的難題。傳統的裝配工藝一般是工藝工程師將生產步驟通過文字和圖片的方式記錄在紙介質上，然后對工人進行培訓指導，待工人熟練掌握產品生產流程后再進行產品批量生產，并在生產過程中手動記錄相關的質量數據。這樣的裝配工藝雖然滿足產品生產要求，但是生產周期長、制造成本高且裝配效率低，同時產品質量高度依賴工人的熟練水平。為了改變此種情況，可以充分利用CAA系統，將制動夾鉗的裝配過程變為CAA內的標準化生產步驟，再用系統軟件和硬件識別技術減少組裝過程中的質量問題，構建起可視化的裝配界面，保證工藝具有可讀性和指導性，使產品質量達到標準要求。

1 制動夾鉗裝配工藝中存在的問題

1.1 裝配過程管控不足

目前的裝配工藝過多地依賴操作者的技能水平。從產品試制到批量生產階段，工人在接受工藝文件理論培訓后，在現場跟班過程中不斷實操練習產品裝配內容，直至其生產的產品滿足相應的工藝要求。這種方式很難使工人在短時間內掌握裝配方法，且不同的操作者對工藝文件中的內容會有不同的理解，當工人生產過程與工藝要求不一致時，往往無法及時管控，只能等待后續檢出生產問題，從而增加了產品返工率，且不能很好地保證產品質量。

1.2 工藝可視化程度低

應用傳統工藝時，裝配信息只能夠通過文字方式表達，使得可理解性明顯不足[1]。工人在實際裝配產品時，一般憑借其經驗進行操作，無法實時對照二維圖紙和實物照片等直觀的可視內容進行檢查。特別是對于復雜的零部件裝配關系和關鍵質量控制點，一旦操作過程有疏忽，很容易產生疏漏，且問題無法主動反饋[2]。

1.3 數據管理效率低

制動夾鉗裝配過程需要記錄產品信息、裝配人員信息以及關鍵工藝步驟等數據，以便全面準確地反映生產操作過程和產品質量情況。裝配工序多，涉及數據量大，導致裝配過程中數據記錄花費大量時間，且要配置人員互檢相關數據，防止出現紕漏。數據記錄工作既增加了工作時間，也增加了人力資源負擔。當交貨產品發生問題時，還需要花費大量的時間追溯產品生產數據。整個問題處理過程時間較長，無法及時統計和處理出現問題的產品[3]。

2 CAA系統的架構

2.1 CAA系統的組成

針對上述問題，CAA系統以工具采集的終端信息為輸入，以系統內置的標準化工藝步驟為約束，保證裝配流程的標準化，最終輸出包含關鍵裝配信息的生產報表，有效管理生產數據。CAA系統組成示意圖如圖1所示，主要分為工具、功能及界面層3個模塊。工具模塊由指紋機、扭力裝置、功能按鈕和工具選擇器等信息采集部件構成，主要負責將采集的人員信息、扭力、角度值及工具工裝使用信息等數據傳輸至功能模塊。功能模塊由電腦硬件和內嵌CAA軟件組成，負責存儲和管理系統運行過程中產生的各種數據，以及監控裝配工藝過程是否符合要求。電腦硬件預留了與PDM、MES、QMS等系統相匹配的接口，可以從指紋機、扭力裝置及其他配套硬件上讀取數據，并將輸出信號反饋至其他硬件。CAA軟件可以編輯和管理裝配工藝，將整理數據輸入記表格，生成生產報表。界面層，即人機交互界面，可以通過電腦屏實時呈現當前工藝步驟、操作人員以及工藝內容等信息。當操作步驟出現錯誤時，能及時提醒操作者進行處理，信息簡單易懂，方便了解當前內容。

2.2 CAA系統原理

為了實現制動夾鉗裝配的標準化，CAA系統按裝配過程的特點分為一個個步驟。只有按照系統提示的步驟完成操作，才可以轉入下一個操作步驟，且每個步驟均遵循不正確不放行的原理。以制動夾鉗殼體裝配為例，缸體在CAA系統控制下的工作原理如圖2所示，具體的人機交互顯示界面如圖3所示。根據殼體裝配順序，它包括缸體、活塞安裝、密封圈安裝以及密封圈涂油等16個步驟。工人進行裝配時，從掃描工號開始直至裝配結束，每一個工步都由CAA系統判斷是否已經完成，否則不會跳轉到下一個工步[4]。當操作失誤時，CAA系統監控警報啟動，并提示工人報警原因，由工人對本操作復位并按正確動作完成裝配后，方可繼續進行下一步工序。

圖2 工作原理圖

圖3 人機交互界面

圖l 系統組成示意圖

3 功能實現

3.1 人員管理功能

每位員工在進行制動夾鉗裝配的工作時，所要承擔的職責存在差異。為了保證相關人員能夠履行責任，CAA系統支持針對不同的職責設置不同的人員權限。CAA系統的程序由管理者預先設定密碼保護，管理者根據CAA系統使用人員的工作職責和資質，在系統中設置對應的權限。使用者在工作位置指紋機掃描指紋或輸入工號后，CAA系統自動校對和分配對應操作權限可以使用的CAA系統功能。如果使用者不具備相關資質，使用者將無法進行相關操作[5]。

3.2 工藝信息管理功能

同類別型號的制動夾鉗安裝工藝相似，如果裝配過程不留意，容易產生安裝質量問題，因此需要重點關注制動夾鉗的工藝信息。對于工藝工程師來說，主要的工藝信息包含產品信息和工藝文件。在CAA系統使用過程中，工程師根據工藝文件定義好對應包含工藝步驟和制動夾鉗型號信息的裝配程序，并對其進行編輯和修改。工人開始裝配時，按照生產工單將產品信息錄入CAA系統，系統即可調用對應型號制動夾鉗的裝配程序，保證了裝配程序與產品工藝要求一致，防止出現錯誤。

3.3 監控和防錯功能

制動夾鉗裝配過程的質量關鍵點在于扭力控制。CAA系統使用電動扭力扳手對扭力進行監控，避免了機械扳手設置錯誤或操作不當引起的質量風險，也減少了互檢人員的配置。工藝工程師預先在CAA系統中設置各螺栓的扭力值、角度值和扭動的次數。工人進行零部件安裝緊固作業時，CAA系統自動調用對應扭力緊固程序緊固螺栓。扭力數據可實時顯示在人機交互界面上，操作者可觀察扭力結果是否滿足要求。同時，CAA系統采集扭力數據與設定值進行比較，如果兩者不一致，CAA系統會啟動報警提示，并停止進行下一道工序操作，使連接電腦的蜂鳴器發出轟鳴。這樣的監控和防錯措施簡單易懂，降低了人為風險，減少了事故的發生。

3.4 可視化功能

CAA系統具有可視化的人機交互界面，可以觀察當前裝配信息。可視化界面顯示的信息分為兩種。一種是靜態信息，如工藝步驟和圖片等，由工藝工程師預先在CAA系統中編輯，然后在裝配過程中顯示，方便工人作業時與標準操作進行對比，并獲得正確的裝配提示。另一種是動態信息，如扭力值、角度值以及工具工裝使用提示等。CAA系統接收工具終端反饋的數據后，經過軟件內部的處理，將輸出結果顯示在界面上，使工人、工藝工程師和質檢工程師能夠清晰了解生產的實際情況，進而保證工作順利完成。

3.5 統計分析和查詢功能

為了更好地發現制動夾鉗在生產過程中所產生的質量缺陷，確保生產順利進行，CAA系統具有專用的數據的存儲功能，能夠匯總裝配過程的原始數據，并將數據自動導入專用的生產報表形成文件記錄。此時，工作人員進入電腦文件保存路徑即可查閱裝配信息。如此一來，生產過程的檢查和記錄就能夠順利完成，出現的問題可以在第一時間反饋，方便人員進行分析、糾正和預防。

4 結語

目前，CAA已經應用在傳統型制動夾鉗、緊湊型制動夾鉗以及踏面制動夾鉗的生產裝配中，涵蓋了零部件壓裝、扭力緊固和尺寸檢查等關鍵作業步驟。相對于傳統的裝配方式，工人的裝配過程得到了規范，實現了標準化，大大提高了制動夾鉗零部件的裝配質量，降低了產品出現問題返工的情況，具有推廣價值。